CN110257595A - 一种中碳铬钼高强钢的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中碳铬钼高强钢的热处理方法，用于克服传统高强钢制备技术的局限性，提供一种具有高强塑积和“多相、亚稳、多尺度析出”组织特征的中碳低合金高强钢组织与性能调控的新技术，该种中碳铬钼高强钢的热处理方法采用“高温淬火与两次临界热处理”的热处理工艺方案，不仅能够克服上述缺陷，还可以获得理想的具有“多相、亚稳、多尺度析出”的显微组织结构，因此预期可以有效提高材料的高强塑积。

Description

一种中碳铬钼高强钢的热处理方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料热处理工艺技术领域，特别涉及一种中碳铬钼高强钢的热处理新方法。
背景技术
随着我国城市化进程的快速发展，高层、超高层建筑不断涌现，机场车站客流量快速增长，电梯不断向高行程、高速度、高承载的方向发展，对电梯内关键承载构件的力学性能要求也越来越高，这就迫切需要电梯制造企业的零配件配套工厂开发出具有更高强度级别、更高韧塑性、更长寿命的高端钢铁材料新产品。35CrMo中碳合金钢广泛应用于电梯内的紧固件、承载梁、传动轴等关键部件的制造，在传统调质热处理工艺条件下，继续提高材料性能的困难较大，与电梯制造企业对高速、重载电梯用高性能材料迫切需求间的矛盾日益突出。
先进高强钢(AHSS)从第一代双相(DP)钢、第二代相变诱发塑性(TRIP)钢、到第三代淬火-分配(Q&P)钢和淬火-分配-回火(Q-P-T)钢的发展趋势是不断提高强度并保持足够的塑性，其方法是改变热处理工艺以获得不同的微观组织。DP钢由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成，TRIP钢由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成。在TRIP钢中，由强度较高而塑性较低的贝氏体替代了DP钢中的部分强度较低塑性较高的铁素体，因此，TRIP钢的总体强度高于DP钢而塑性低于DP钢。Q&P钢是由马氏体和残余奥氏体组成，由强度较高而塑性较低的马氏体替代了TRIP钢中的强度较低而塑性较高的铁素体和贝氏体，因此，Q&P钢的总体强度高于TRIP钢而塑性低于TRIP钢。Q-P-T钢是由马氏体、残余奥氏体和碳化物组成，即由强度很高而塑性很低的碳化物替代了Q&P钢中的部分强度较低塑性较高的马氏体，故Q-P-T钢的总体强度高于Q&P钢而塑性低于Q&P钢。可见，目前先进高强钢的力学性能总的趋势是随着强度的提高，塑性随之下降。因此，在保持材料强度的前提下，如何进一步提高材料的塑性是解决问题的关键。
目前第三代先进高强钢的塑性贡献主要来源于残余奥氏体，其作用机制主要有四种解释：(1)相变诱发塑性(TRIP)效应：在形变过程中，TRIP钢中的残余奥氏体在较高的应力应变状态下能产生应变(或应力)诱发马氏体相变，由此松弛了形变过程中产生的局部应力集中，使应力再分布，推迟裂纹的形成，从而推迟了缩颈的产生，提高了均匀延伸率，进而获得更好的塑性。残余奥氏体愈多，TRIP效应愈强，则材料的塑性越好。(2)孪晶诱发塑性(TWIP)效应：TWIP钢在形变过程中残余奥氏体主要通过应变诱导产生孪晶，由此松弛局部的应力集中从而增加塑性。与TRIP效应同理，残余奥氏体愈多，TWIP效应愈强，则材料的塑性也就越好。(3)阻碍裂纹扩展(BPC)效应：即马氏体板条间的残余奥氏体可有效阻碍沿马氏体{100}晶面族扩展的裂纹从一个板条扩展至另个板条。由于残余奥氏体越多，BPC效应越强，则材料的塑性也越好。(4)残余奥氏体吸收位错(DARA)效应：塑变时马氏体中的位错通过共格(半共格)界面运动到奥氏体中去，也就是位错被残余奥氏体所“吸收”。DARA效应使硬相马氏体处于“未加工硬化态”，有效地增强了马氏体的形变能力，使之与软相残余奥氏体可协调形变。由于残余奥氏体只能吸收来自相邻马氏体中的位错，因此残余奥氏体愈多，DARA效应愈强。因此，上述四种增塑效应均表明获得足量、稳定的残余奥氏体是提高高强钢强塑积的关键。
传统的获取残余奥氏体的手段为TRIP、Q&P或TWIP工艺。TRIP和Q&P钢通过控制奥氏体在中低温的相变行为，利用碳元素在未转变奥氏体中的富集来稳定奥氏体，获得铁素体、贝氏体和残余奥氏体或马氏体、残余奥氏体的多相组织，获得优异的力学性能。但由于需要利用碳来稳定奥氏体，故此类钢中的碳含量通常较高，会使钢的热加工性能、焊接性能等严重恶化。TWIP钢获得奥氏体的方式为提高钢中的锰含量，利用锰来扩大奥氏体相区，获得单一的奥氏体组织。但由于TWIP钢的合金成分较高(通常在25wt.％以上)，不仅提高了生产成本，也为冶炼和热成形过程带来了很多困难。因此，上述方法往往并不适用于量大面广的高强度低合金钢。
发明内容
本发明的目的是提供一种中碳低合金高强钢的热处理方法，用于克服传统高强钢制备技术的局限性，提供一种具有高强塑积和“多相、亚稳、多尺度析出”组织特征的中碳低合金高强钢组织与性能调控的新技术。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是一种中碳低合金高强钢的热处理方法，包括以下步骤：
1)材料制备：按35CrMo钢的化学成分要求，将原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制，制成棒材或板材，然后等待热处理；
2)材料热处理：a、将材料在920℃～1050℃的环境下保温1h～5h后进行高温淬火处理，然后通过水冷或油冷至室温，高温淬火处理的主要目的是将粗大的MC相溶入奥氏体中并获得马氏体/贝氏体板条型组织。提高温度有利于粗大MC相的溶解，但如果温度过高，易导致晶粒粗大或晶界过烧，导致材料的冲击韧性降低；温度过低，轧态或锻态原始组织中遗留的粗大一次MC相溶解不充分；b、对材料进行二次临界热处理；所述二次临界热处理包括以下步骤：第一步为通过对以板条马氏体/贝氏体为基体组织的35CrMo钢在其临界温度区间AC1′～AC3′保温0.5h-3h，然后水冷至室温，所述AC1′～AC3′为铁素体和奥氏体两相共存区，由于材料在AC1′～AC3′温度范围保温期间，可在晶界及板条直接形成逆转奥氏体，此时C、Mn、Ni、Cu等奥氏体稳定化元素向逆转奥氏体中配分，形成合金元素富集的逆转奥氏体和贫合金的临界铁素体，在后续的连续冷却中由于逆转奥氏体中合金元素富集程度不足以使其稳定至室温而转变成贝氏体/马氏体；第二步在35CrMo钢AC1′+5～20℃的温度环境下临界回火0.25h-2h，然后空气冷却至室温，此时逆转奥氏体在合金富集的贝氏体/马氏体处择优形核，C、Mn、Ni、Cu等合金元素再次在逆转奥氏体中富集并进一步提高了逆转奥氏体的稳定性，最终就可获得室温下稳定的残余奥氏体。由于两次逆转变发生在板条界面或铁素体/贝氏体相界面，逆转获得的奥氏体弥散分布且尺寸细小，具有较高的稳定性，从而可以实现材料增塑的目的；本发明的优点在于，该种中碳低合金高强钢的热处理方法采用“高温淬火与两次临界热处理”的热处理工艺方案，不仅能够克服上述缺陷，还可以获得理想的具有“多相、亚稳、多尺度析出”的显微组织结构，因此预期可以有效提高材料的高强塑积。
附图说明
图1是本发明提出的中碳低合金高强钢的热处理方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明提出的中碳低合金高强钢的热处理方法，包括以下步骤：
1)材料制备：按35CrMo钢的化学成分要求，将原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制，制成棒材或板材，然后等待热处理；
2)材料热处理：a、将材料在920℃～1050℃的环境下保温1h～5h后进行高温淬火处理，然后通过水冷或油冷至室温，高温淬火处理的主要目的是将粗大的MC相溶入奥氏体中并获得马氏体/贝氏体板条型组织。提高温度有利于粗大MC相的溶解，但如果温度过高，易导致晶粒粗大或晶界过烧，导致材料的冲击韧性降低；温度过低，轧态或锻态原始组织中遗留的粗大一次MC相溶解不充分；b、对材料进行二次临界热处理；所述二次临界热处理包括以下步骤：第一步为通过对以板条马氏体/贝氏体为基体组织的35CrMo钢在其临界温度区间AC1′～AC3′保温0.5h-3h，然后水冷至室温，所述AC1′～AC3′为铁素体和奥氏体两相共存区，由于材料在AC1′～AC3′温度范围保温期间，可在晶界及板条直接形成逆转奥氏体，此时C、Mn、Ni、Cu等奥氏体稳定化元素向逆转奥氏体中配分，形成合金元素富集的逆转奥氏体和贫合金的临界铁素体，在后续的连续冷却中由于逆转奥氏体中合金元素富集程度不足以使其稳定至室温而转变成贝氏体/马氏体；第二步在35CrMo钢AC1′+5～20℃的温度环境下临界回火0.25h-2h，然后空气冷却至室温，此时逆转奥氏体在合金富集的贝氏体/马氏体处择优形核，C、Mn、Ni、Cu等合金元素再次在逆转奥氏体中富集并进一步提高了逆转奥氏体的稳定性，最终就可获得室温下稳定的残余奥氏体。由于两次逆转变发生在板条界面或铁素体/贝氏体相界面，逆转获得的奥氏体弥散分布且尺寸细小，具有较高的稳定性，从而可以实现材料增塑的目的。
该种中碳低合金高强钢的热处理方法采用“高温淬火与两次临界热处理”的热处理工艺方案，不仅能够克服上述缺陷，还可以获得理想的具有“多相、亚稳、多尺度析出”的显微组织结构，因此预期可以有效提高材料的高强塑积。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种中碳铬钼高强钢的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)材料制备：按35CrMo钢的化学成分要求，将原料组合物依次经熔炼、浇铸、锻造或轧制，制成棒材或板材，然后等待热处理；
2)材料热处理：
a、将材料在920℃～1050℃的环境下保温1h～3h后进行高温淬火处理，然后通过水冷或油冷至室温；
b、对材料进行二次临界热处理。
2.根据权利要求1所述的一种中碳低合金高强钢的热处理方法，其特征在于，所述二次临界热处理包括以下步骤：
1)通过对以板条马氏体/贝氏体为基体组织的35CrMo钢在其临界温度区间AC1′～AC3′保温0.5h-3h，然后水冷至室温；
2)在35CrMo钢AC1′+5～20℃的温度环境下临界回火0.25h-2h，然后空气冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的一种中碳低合金高强钢的热处理方法，其特征在于：对所述材料进行二次临界热处理，以获得足量稳定的残余奥氏体，所述奥氏体用于提高材料的强塑积。
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